Применение дифракционных оптических элементов в преобразовании распределения интенсивности лазерного пучка

Дифракционный оптический элемент позволяет управлять фазой электромагнитной волны, проходящей через него. Так, с помощью определенного дифракционного рисунка можно получить на выходе распределение интенсивности излучения любой формы. В разработке таких дифракционных элементов преуспевает компания Holo/Or.

Дифракционная оптика становится полноценным многофункциональным научным решением и имеет множество преимуществ: высокую эффективность и точность передачи излучения, компактность, небольшой вес.

Дифракционные устройства Holo/Or можно разделить по назначению на две группы: светоделители и формирователи профиля интенсивности пучка. Оптические светоделители используются для разделения одиночного лазерного пучка на несколько, каждый из которых имеет те же характеристики, что и исходный луч, за исключением мощности и угла распространения. Также с помощью светоделителей можно наблюдать специфические распределения интенсивности на экране: концентрические окружности, гексагональные решетки и др.

Рисунок 1. Различные точечные распределения интенсивности

Рисунок 2. Результаты преобразования профиля интенсивности различными дифракционными устройствами

Формирователя профиля интенсивности пучка используются для преобразования гауссова распределения интенсивности в равномерное распределение круглой, прямоугольной, квадратной или другой формы с отчетливой границей. Пятно с равномерным распределением интенсивности предотвращает чрезмерное или недоэкспонирование определенных областей, что важно, в частности, при лазерной абляции. К формирователям профиля интенсивности относятс гомогенизаторы, цилиндры, вихревые линзы (спиральные фазовые пластины) и дифракционные аксиконы.

Лазерная абляция с применением дифракционной оптики

С развитием лазерной обработки материалов заметно возросла потребность в разработке новых лазерных систем для промышленных целей, поэтому многие традиционные технологии были заменены лазерными аддитивными системами с применением дифракционных оптических элементов: гомогенизаторов, светоделителей, аксиконов и т. д. Рассмотрим преимущества использования некоторых их них.

Светоделитель

Коллимированный входной пучок падает на светоделительную пластину, преломляется на периодической структуре и расщепляется на несколько пучков, распространяющихся под углом. Этот угол разделения определяется при производстве элемента с учетом требований заказчика (рис. 3). Ошибка не превышает 0,03 мрад.

Рисунок 3. Дифракционный светоделитель. EFL – эффективное фокусное расстояние, m – порядок дифракции, θ_s – угол разделения, d – расстояние между двумя точками фокуса, θ_f  – полный угол, D – длина массива.

Светоделители используются в лазерной обработке материалов (лазерной абляции, перфорации, сверлении, сварке), эстетических процедурах (косметическая шлифовка), научных исследованиях: двухфотонной флуоресцентной микроскопии, когерентном объединении волн и др.

Рисунок 4. Распространение дифрагированного излучения в среде

Формирователь профиля интенсивности пучка

Дифракционные формирователи профиля интенсивности пучка — это фазовые пластины, преобразующие входное гауссово распределение интенсивности в пятно с однородным распределением на определенном рабочем расстоянии. Каждый формирователь профиля интенсивности разрабатывается в соответствии с параметрами оптической системы: длиной волны источника, диаметром входного пучка, рабочим расстоянием.

Рисунок 5. Дифракционный формирователь профиля интенсивности, d – размер пятная на экране, EFL – эффективное фокусное расстояние

Формирователь профиля интенсивности типа «Top-Hat»

Формирователь профиля интенсивности типа «top-hat» используется для преобразования распределения интенсивности, близкого к гауссову, в равномерное. Пятно света на экране может быть любой симметричной формы: круглой, прямоугольной, квадратной. Для наилучших результатов следует использовать одномодовый лазерный источник, фактор пучка М2 не должен превышать 1.3.

Рисунок 6. Распределение интенсивности типа «Top-hat»

Равномерное распределение интенсивности пятна, формируемое в устройстве, обеспечивает ровную обработку поверхности, предотвращая пере- или недоэкспонирование определенных областей. Кроме того, пятно характеризуется резкой переходной областью, которая позволяет четко разделять обработанные и необработанные участки.

Через формирователь проходит более 95% энергии излучения, выходной пучок имеет высокую однородность, явную границу. Устройство имеет высокий порог повреждения, что позволяет использовать его с лазерами большой мощности.

Гомогенизатор лазерного излучения

Оптический дифракционный гомогенизатор преобразует одномодовое или многомодовое входное излучение в выходной пучок с однородной интенсивностью. Край пятна четко определен.

Гомогенизатор рассеивает падающий пучок в квазислучайных направлениях, таким образом достигается однородность светового пятна. Наилучший результат достигается в пучках, обладающих высоким фактором М2.

Гомогенизаторы в основном применяются в лазерной обработке материалов – сварке, пайке и т.д.

Рисунок 7. Гомогенизатор пучка

Спиральные фазовые пластины

Спиральные фазовые пластины, также известные как «вихревые линзы» формируют вихревые пучки. Это уникальный оптический элемент, ступенчатая структура которого нанесена на поверхность в форме спирали. С помощью вихревых линз можно управлять фазой излучения.

Рисунок 8. Вихревая линза

Как правило, глубина травления периодической структуры имеет тот же порядок величины, что и расчетная длина волны. Каждая фазовая пластинка изготавливается для определенной длины волны. Для создания вихревого оптического пучка требуется коллимированное одномодовое (TEM00) излучение, которое будет преобразовано в осесимметричную моду излучения TEM01. Вихревые линзы передают более 90% излучения и имеют низкий порог повреждения. Есть чувствительность к перемещению и вращению элемента.

Основные применения вихревых линз: лазерная абляция, сварка, системы оптической связи, STED-микроскопия, оптические ловушки и др.

Компания Holo/Or основана в 1989 году. Специализация предприятия — дифракционные оптические элементы и микрооптические элементы. За 30 лет работы в индустрии Holo/Or накопила значительный опыт в моделировании и производстве прецизионных дифракционных компонентов.

 

©Holo/Or
 

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Holo/Or на территории РФ

Дифракция в нашей жизни (в быту) — Дифракция в нашей жизни (в быту)

приобрести
Дифракция в нашей жизни (в быту)
скачать (28.6 kb.)
Доступные файлы (1):

n1.docx

29kb.

07.07.2012 22:30

скачать

---

Смотрите также:
• Вейн А.М. Сон — тайны и парадоксы (Документ)
• Шпаргалки по Физике: Оптика (Документ)
• Подготовка азс к эксплуатации в (Документ)
• Контрольная работа — Вода и ее полезные свойства (Лабораторная работа)
• Вклад советских медиков в победу в великой отечественной войне (Документ)
• Реферат техника плавания кролем на груди (Документ)
• Я считаю, что искусство имеет большое значение в нашей жизни (Документ)
• Дифракция света (Документ)
• Млодинов Л. Несовершенная случайность. Как случай управляет нашей жизнью (Документ)
• Оптика (Документ)
• Бехтерева Н.П. Магия мозга и лабиринты жизни (Документ)
• «Основные образы животных в баснях И. А. Крылова» (Документ)

Дифракция в нашей жизни (в быту)

Дифракцией света называют совокупность явлений, которые обусловлены волновой природой света и наблюдаются при его распространении в среде с резко выраженными неоднородностями (например, при прохождении через отверстия в непрозрачных экранах, вблизи границ непрозрачных тел и т.д.) В более узком смысле под дифракцией понимают явление огибания светом малых препятствий, т.е. отклонения от законов геометрической оптики и следовательно проникновение света в область геометрической тени.

Дифракцию света Френель объяснил как результат интерференции вторичных волн согласно принципу Гюйгенса-Френеля. [Гюйгенса-Френеля принцип– это приближенный метод решения задач о распространении волн, особенно световых. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, каждый элемент поверхности, которой достигла в данный момент волна, является центром элементарных волн, огибание которых будет волновой поверхностью в следующий момент времени .Положение фронта распространяющейся волны может быть в любой момент времени представлено огибающей всех вторичных (элементарных) волн, Рис.1. Источниками вторичных волн являются точки, до которых дошел фронт первичной волны в предшествующий момент времени. При этом предполагается, что вторичные волны излучаются только «вперед», т.е. в направлениях, составляющих острые углы с направлением внешней нормали к фронту первичной волны. Принцип Гюйгенса позволяет объяснить законы отражения и преломления света, однако он недостаточен для объяснения дифракционной картины.

Рис. 1

В более широком толковании, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах, а также при распространении ограниченных в пространстве волн. Дифракция тесно связана с явлением интерференции — взаимное усиление или ослабление амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве. Сопровождается чередованием максимумов и минимумов интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина -голограмма) зависит от разности фаз накладывающихся волн. интерференция в тонких пленках (метод деления волнового фронта), при которой складываются электромагнитные волны, отразившиеся от двух поверхностей . В зависимости от соотношения между толщиной пленки и длиной волны излучения наблюдается усиление или ослабление цвета. При освещении белым светом (смесь с различными длинами волн) возникает зависящая от толщины цветная окраска пленки (например, радужные разводы на пятне нефти в воде). Описанный способ окраски используется в природе: пестрая расцветка крыльев бабочек обусловлена не наличием красящего пигмента, а интерференцией света в тонких прозрачных чашуйках крыльев. В технике интерференционные покрытия используются для создания зеркал с высоким коэффициентом отражения (“диэлектрические зеркала”) и для просветления оптики (гашения волн, отраженных от многочисленных поверхностей линз сложных объективов). Высокая чувствительность наблюдаемой картины распределения интенсивностей к разности хода интерферирующих пучков лежит в основе целого класса сверх точных приборов, называемых интерферометрами. Например измеряющие сверх-малые скорости движения (несколько сантиметров в год): сползание ледников, дрейф материков и т.д.

Производство высококачественных голограмм стало возможным после создания лазеров — мощных источников монохроматического излучения, способных давать устойчивую интерференционную картину даже при больших разностях хода интерферииующих пучков.

Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции (интерференция вторичных волн.

Широкое распространение получили высокочувствительные спектральные приборы с дифракционной решёткой в качестве диспергирующего элемента (монохроматоры, спектрографы, спектрофотометры и др.), использующие явление дифракции света. Дифракция на ультразвуковых волнах в прозрачных средах позволяет определять упругие константы вещества, а также создать акустооптические модуляторы света.

Очень широка сфера практического применения приборов, основанных на квантовых оптических явлениях — фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, усилителей яркости изображения (электроннооптических преобразователей), передающих телевизионных трубок и т.д. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электроэнергию для питания электро-, радио — и др. аппаратуры (т. н. солнечные батареи). На основе фотохромных материалов разрабатываются новые системы записи и хранения информации для нужд вычислительной техники и созданы защитные светофильтры с автоматическим увеличением поглощения света при возрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке оптических методов разделения изотопов и стимулирования направленного протекания химических реакций, позволило найти новые, нетрадиционные применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биологические объекты на молекулярном уровне) и медицине (см. Лазерное излучение). В технике использование лазеров привело к появлению оптических методов обработки материалов

Дифракция волн наблюдается независимо от их природы и может проявляться:

• 
  в преобразовании пространственной структуры волн. В одних случаях такое преобразование можно рассматривать как «огибание» волнами препятствий, в других случаях — как расширение угла распространения волновых пучков или их отклонение в определенном направлении;
  
• 
  в разложении волн по их частотному спектру;
  

В научный обиход термин спектр ввёл Ньютон в 1671—1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму.^{Например радуга возникает, когда Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму.}

• 
  в преобразовании поляризации волн;
  

Поляриза́ция волн — явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.^{Чаще всего это явление используется для создания различных оптических эффектов, а также в 3D-кинематографе (технология IMAX), где поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу.}

• 
  в изменении фазовой структуры волн.
  

Дифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды либо неоднородностей структуры самой волны. В природе примером дифракции являются миражи — это отражения каких-то вещей или явлений на поверхности раскаленного песка, асфальта, моря и т. д. Это происходит от того, что в разных слоях воздуха температура разная, а разность температуры действует как зеркало. Мираж — это нечто иное, как отраженные предметы или явления, которые мы принимаем за реальность.

Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса

Список литературы

1. 
   Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: учебное пособие для приборостроительных вузов. — 2-е издание, перераб. и доп. — Спб.: Машиностроение, 2003 — 696 с.
   
2. 
   Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1970. — 856 с.
   
3. 
   Википедия
   

---

Дифракция в нашей жизни (в быту)

Дифракция механических волн — презентация онлайн

Похожие презентации:

Волновая оптика. Дифракция света

Дифракция. Дифракция механических волн

Дифракция. Виды волн

Дифракция света. (Лабораторная работа)

Световые волны. Интерференция и дифракция света

Дифракция света

Дифракция света

Дифракция света. Лекция 4

Дифракция

Интерференция, дифракция, поляризация

1. Дифракция механических волн

— нарушение закона
прямолинейного
распространения волн.
Дифракция происходит всегда, когда
волны распространяются в
неоднородной среде.

2. Случаи, когда дифракция наблюдается ярко:

• Размеры преграды сравнимы или
меньше длины волны – дифракция
сразу за препятствием
• Размеры препятствия больше длины
волны – дифракция наблюдается на
большом расстоянии от препятствия

3. Как и почему происходит дифракция?

Как только волна дойдет до щели,
каждая точка среды между краями
щели станет самостоятельным
источником вторичных волн. Новый
фронт волны образуется в результате
интерференции вторичных волн.

4. Как и почему происходит дифракция?

Так как вторичные волны излучаются и
крайними точками щели, то фронт
волны, прошедшей через щель, у ее
краев изогнется и зайдет за
препятствия, образовавшие щель.

5. Как и почему происходит дифракция?

Вторичные волны, испущенные
точками среды, до которых дошла
волна, прошедшая через щель,
зайдут за края препятствий еще
больше. Таким образом, волна после
прохождения через щель и
расширяется и деформируется.
Дифракционные явления были
хорошо известны еще во
времена Ньютона.
Первое качественное объяснение
явления дифракции на основе
волновых представлений было
дано английским ученым
Т. Юнгом.
Цель:
Выделить связь явлений
интерференции и дифракции
света на примере опыта Юнга.

7. Опыт Т. Юнга. 1802 г.

В опыте Юнга свет от источника, в качестве
которого служила узкая щель S, падал на
экран с двумя близко расположенными
щелями S1 и S2.
Проходя через каждую из щелей, световой
пучок уширялся вследствие дифракции,
поэтому на белом экране Э световые пучки,
прошедшие через щели S1 и S2,
перекрывались.
В области перекрытия световых пучков
наблюдалась интерференционная картина в
виде чередующихся светлых и темных
полос.
Юнг впервые определил длины волн световых
лучей разного цвета.

8. Схема опыта Юнга

9. Дифракцией света

называется совокупность явлений,
• наблюдаемых при
распространении света в среде с
резкими неоднородностями
(вблизи границ непрозрачных или
прозрачных тел, сквозь малые
отверстия)
• и связанных с отклонениями от
законов геометрической оптики.

10. Дифракция света

— приводит к огибанию световыми
волнами препятствий и
проникновению света в область
геометрической тени.
Дифракция света сопровождается
интерференцией.
Интерферируют волны,
обогнувшие препятствие (опыт
Юнга).
Французский ученый
О. Френель развил
количественную теорию
дифракционных явлений
(1818 г.).
В основу теории Френель
положил принцип Гюйгенса,
дополнив его идеей об
интерференции вторичных
волн.

12. Принцип Гюйгенса — Френеля

– каждая точка любой
воображаемой поверхности,
окружающей один или
несколько источников света,
является центром вторичных
световых волн, которые
когерентны, и интенсивность
света в любой точке
пространства есть результат
интерференции этих
вторичных волн.
Принцип Гюйгенса–Френеля
является основным
постулатом волновой теории,
впервые позволившим
объяснить дифракционные
явления.
• Дифракционная картина –
система чередующихся светлых и
темных колец, если препятствие
круг или отверстие.
Если препятствие имеет линейный
характер (щель, нить, край
экрана), то на экране возникает
система параллельных
дифракционных полос.

14. Дифракция на круглом отверстии

15.

Применение дифракции Дифракционная решетка– оптический прибор,
представляющий собой
совокупность большого
числа регулярно
расположенных штрихов
(щелей, выступов),
нанесенных на некоторую
поверхность (от 0,25 до
6000 штрихов на 1 мм).

16. Применение дифракции Дифракционная решетка

• Существуют
отражательные и
прозрачные
дифракционные
решетки.
• Дифракционные
решетки используются
для разложения
электромагнитного
излучения в спектр.

17. Границы применимости геометрической оптики

Законы геометрической оптики
выполняются достаточно точно лишь
в том случае, если размеры
препятствий на пути распространения
света много больше длины световой
волны.

18. Разрешающая способность оптических приборов

• Нельзя получить отчетливые изображения
мелких предметов (микроскоп)
L<λ
• Предельное угловое расстояние между
светящимися точками, при котором их
можно различать, определяется
отношением (телескоп)
λ/D
L – линейный размер предмета
λ – длина волны
D – диаметр объектива

19.

Итоги урока:
Дифракция механических волн
Опыт Юнга
Принцип Гюйгенса — Френеля
Дифракция света
Дифракционная решетка
Границы применимости
геометрической оптики
• Разрешающая способность
оптических приборов

English     Русский Правила

Дифракционные решетки для спектрометрии | Rainbow Symphony

Дифракция — это изгиб волны, когда она проходит за угол или через отверстие. Это явление лучше всего наблюдать с помощью призменного эксперимента или двухщелевого эксперимента Юнга. В эксперименте с призмой белый свет проходит через призму и просматривается на белом экране, когда он выходит из призмы.

На белом экране вы увидите набор цветов, поскольку каждая длина волны в видимом спектре изгибается в разной степени, эффективно разделяя белый свет на составляющие его цвета. Эксперимент Янга с двойной щелью демонстрирует тот же принцип, пропуская свет через маленькую щель и наблюдая свет на экране, когда он выходит с другой стороны.

Открытие дифракции света имело монументальное значение для оптической физики, поскольку оно доказало корпускулярно-волновой дуализм света. То есть было доказано, что свет проявляет свойства как волн, так и частиц. В этом блоге мы рассказываем о применении дифракционных решеток для инструментов спектрометрии в современных технологиях.

Что такое дифракционная решетка?

Разработанные на основе эксперимента Юнга с двумя щелями, дифракционные решетки являются предпочтительным методом рассеяния света во многих спектрометрах. Дифракционная решетка — это устройство, которое расщепляет электромагнитное излучение на составляющие его длины волн. В двух словах, дифракционная решетка состоит из щелей различной ширины, соответствующих длинам волн различных цветов видимого спектра. Когда белый свет падает на решетку, составляющие его цвета разделяются, поскольку они преломляются через щель, которая соответствует их соответствующим длинам волн.

Несмотря на то, что дифракционные решетки для приборов спектрометрии представляют собой довольно простые устройства, они прочно вошли в современную спектрометрию и сформировали технологию нашей жизни.

Спектрометрия

Открытие дифракции положило начало научной области спектроскопии, изучению взаимодействия материи и электромагнитного излучения. С тех пор дифракционные решетки внесли значительный вклад в современную науку и включены во многие распространенные инструменты спектрометрии, включая спектрофотометры и монохроматоры. Обычно они предпочтительнее призм, потому что они не поглощают ультрафиолетовое или инфракрасное излучение.

Типы дифракционных решеток и связанные с ними спектрометрические инструменты

В целом существует четыре типа дифракционных решеток: линейчатые решетки, голографические решетки, решетки пропускания и решетки отражения.

Линейчатые решетки

Линейчатые решетки создаются путем физического травления нескольких параллельных канавок на отражающей поверхности. Приложения, требующие узкой длины волны, такие как спектрометры и монохроматоры, часто выигрывают от линейчатой ​​решетки, сверкающей на этой конкретной длине волны. Общие приложения для линейчатых решеток:

• Fluorescence Excitation
• Telecommunications
• Analytical Chemistry
• Life Sciences
• Physics
• Space Sciences
• Education

Note: The wavelength of electromagnetic radiation that yields the greatest absolute efficiency of the ruled diffraction grating is referred to как длина волны пламени.

Голографические решетки

Голографические решетки создаются с использованием фотолитографического процесса для создания интерференционной картины между двумя УФ-лучами, создавая синусоидальное изменение показателя преломления в куске оптического стекла. Как правило, линейчатые дифракционные решетки легче и дешевле голографических решеток, но они дают больше рассеянного света. С другой стороны, голографические дифракционные решетки лучше справляются с рассеянным светом, но, как правило, имеют более низкую эффективность.

Передающие решетки

Одним из популярных видов решеток является пропускающая решетка. Этот тип решетки создается путем царапания или травления прозрачной подложки с повторяющейся параллельной структурой. В пропускающей дифракционной решетке свет проходит через материал, на котором решетка выгравирована.

Пропускающие решетки особенно полезны в приложениях с фиксированными решетками, таких как спектрографы.

Пропускающие решетки имеют относительно низкую поляризационную чувствительность по сравнению с отражающими решетками, поскольку падающий свет не отражается зеркальным покрытием. Пропускающие решетки особенно эффективны в компактных линейных конфигурациях, поскольку свет проходит через решетки. Пропускающие решетки отлично подходят для монохроматоров и спектрометров.

Решетка отражения

Решетка отражения традиционно изготавливается путем нанесения металлического покрытия на оптику и нанесения параллельных канавок на поверхность. Отражающие решетки также обычно изготавливаются путем воспроизведения версии эталонной дифракционной решетки с использованием эпоксидной смолы и / или пластика. Во всех случаях свет отражается от линейчатой ​​поверхности под разными углами, соответствующими разным порядкам и длинам волн.

Как видно из их описания, четыре перечисленных типа дифракционных решеток не обязательно являются взаимоисключающими, и дифракционные решетки могут включать в себя компоненты нескольких различных типов.

Дифракционные решетки для спектрометрии

Дифракционные решетки обычно используются в монохроматорах, спектрометрах, лазерах, устройствах мультиплексирования с разделением по длине волны, устройствах сжатия оптических импульсов и многих других оптических приборах. Компакт-диски и DVD-диски являются хорошими, легко наблюдаемыми примерами дифракционных решеток. Отражение солнечного света от компакт-диска или DVD-диска на белую стену даст свет разных цветов, т. е. с разными длинами волн видимого спектра.

Спектрометры

Пожалуй, самое элементарное применение дифракционных решеток для приборов спектрометрии. Спектрометры используются для разделения белого света на составляющие его длины волн.

Монохроматоры

В каком-то смысле монохроматоры являются противоположностью спектрометров. В то время как спектрометры разделяют белый свет на все составляющие его цвета, монохроматоры — это устройства, используемые для фильтрации всего, кроме узкой полосы электромагнитной энергии. Это конкретное применение дифракционных решеток для инструментов спектрометрии очень полезно, когда необходим настраиваемый монохроматический свет.

Лазеры

Дифракционные решетки часто используются в лазерах для настройки длины волны. То есть калибровка лазера для излучения определенной длины волны электромагнитного излучения.

Оптическая связь

Голографические дифракционные решетки широко используются в оптической связи и промышленных измерениях в ближней инфракрасной области спектра, где необходимы высокая производительность и устойчивость к окружающей среде.

Сжатие импульсов

Дифракционные решетки также нашли применение в технологии сжатия импульсов. Решетки, используемые для этих приложений, обычно изготавливаются из монолитного плавленого кварца высокой чистоты, который идеально подходит для определенных длин волн лазера. Это применение дифракционных решеток для инструментов спектрометрии обычно встречается в лазерной обработке материалов, полупроводниковой промышленности и в медицинской промышленности для коррекции рефракции роговицы.

Закажите дифракционные решетки прямо сейчас!

Rainbow Symphony с гордостью предоставляет образовательные инструменты, необходимые для оптимизации вашего оптического опыта, включая дифракционные решетки для спектрометрии. Для получения дополнительной информации о наших продуктах и ​​инструментах для спектрометрии посетите весь наш интернет-магазин. Наша преданная команда профессионалов готова предоставить экспертные знания и выдающийся опыт покупок, поэтому не стесняйтесь обращаться к нам сегодня!

Медицинское применение дифракционной визуализации

. 1998 августа; 10 (3-4): 197-207.

doi: 10.3233/bd-1998-103-419.

Д Чепмен ¹ , E Pisano, W Thomlinson, Z Zhong, R E Johnston, D Washburn, D Sayers, K Malinowska

принадлежность

• ¹ CSRRI, Иллинойский технологический институт, 3101 Южный Дирборн, Чикаго, Иллинойс 60616, США. [email protected]

• PMID: 15687575
• DOI: 10.3233/бд-1998-103-419

Д. Чепмен и соавт. Грудь Дис. 1998 авг.

. 1998 августа; 10 (3-4): 197-207.

дои: 10.3233/бд-1998-103-419.

Авторы

Д Чепмен ¹ , Э. Пизано, В. Томлинсон, З. Чжун, Р. Э. Джонстон, Д. Уошберн, Д. Сэйерс, К. Малиновска

принадлежность

• ¹ CSRRI, Иллинойский технологический институт, 3101 Южный Дирборн, Чикаго, Иллинойс 60616, США. [email protected]

• PMID: 15687575
• DOI: 10.3233/бд-1998-103-419

Абстрактный

Мы разработали новый метод рентгеновской визуализации, визуализацию с усилением дифракции (DEI), которую можно использовать для независимой визуализации преломления и поглощения объекта. Изображения почти полностью лишены рассеяния, что позволяет повысить контрастность объектов, имеющих малоугловое рассеяние. Комбинация этих свойств привела к получению изображений маммографических фантомов и тканей, контрастность которых значительно улучшилась по сравнению со стандартными методами визуализации. Эта методика потенциально применима к маммографии и другим областям медицинской рентгенографии и к радиологии в целом, а также возможно использование в неразрушающем контроле и рентгеновской компьютерной томографии. Представлены изображения различных тканей и материалов, чтобы продемонстрировать широкую применимость этого метода для медицинской и биологической визуализации.

Похожие статьи

• Рентгеновское изображение с дифракционным усилением.

  Чепмен Д., Томлинсон В., Джонстон Р.Е., Уошберн Д., Пизано Э., Гмур Н., Чжун З., Менк Р., Арфелли Ф. , Сайерс Д. Чепмен Д. и др. физ.-мед. биол. 1997 ноябрь;42(11):2015-25. дои: 10.1088/0031-9155/42/11/001. физ.-мед. биол. 1997. PMID: 9394394

• КТ высокого разрешения с дифракционной рентгеновской визуализацией: картирование образцов ткани молочной железы и сравнение с их гистопатологией.

  Бравин А., Кейриляйнен Дж., Фернандес М., Фидлер С., Немоз С., Карьялайнен-Линдсберг М.Л., Тенхунен М., Вирккунен П., Лейдениус М., фон Смиттен К., Сипиля П., Суортти П. Бравин А. и др. физ.-мед. биол. 2007 21 апреля; 52 (8): 2197-211. дои: 10.1088/0031-9155/52/8/011. Epub 2007 29 марта. физ.-мед. биол. 2007. PMID: 17404464

• Дифракционно-усиленное изображение свиного глаза.

  Келли М.Э., Coupal DJ, Beavis RC, Schultke E, Romanchuk K, Juurlink BH, Zhong Z, Chapman LD. Келли М.Е. и соавт. Может J Офтальмол. 2007 г., октябрь; 42 (5): 731-3. дои: 10.3129/i07-132. Может J Офтальмол. 2007. PMID: 17823643

• Измерение контраста изображения с использованием дифракционной визуализации.

  Kiss MZ, Sayers DE, Zhong Z. Кисс М.З. и др. физ.-мед. биол. 2003 г., 7 февраля; 48 (3): 325-40. дои: 10.1088/0031-9155/48/3/304. физ.-мед. биол. 2003. PMID: 12608610

• «Фазово-контрастная рентгеновская визуализация с помощью рентгеновского интерферометра для медицинских приложений».

  Такэда Т., Ёнеяма А., Момосе А., Ву Дж., Зения Т., Лвин Т.Т., Цучия Й., Рао Д.В., Хёдо К., Хирано К., Айёси Й., Итай Й. Такеда Т. и др. Игаку Буцури. 2002;22(1):30-7. Игаку Буцури. 2002. PMID: 12766294 Обзор. Японский.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Синхротронная фазовая томография: новый метод визуализации для обнаружения микрососудов в искусственных костях черепно-лицевых областей.

  Джулиани А., Маццони С., Меле Л., Ликкардо Д., Тромба Г., Лангер М. Джулиани А. и др. Фронт Физиол. 2017 сен 29;8:769. дои: 10.3389/ффиз.2017.00769. Электронная коллекция 2017. Фронт Физиол. 2017. PMID: 29085301 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Визуализация фиброза печени с помощью фазово-контрастной рентгенографии у мышей с перевязанными общими желчными протоками.

  Zhang X, Yang XR, Chen Y, Li HQ, Li RM, Yuan QX, Zhu PP, Huang WX, Peng WJ. Чжан X и др. Евро Радиол. 2013 фев; 23 (2): 417-23. doi: 10.1007/s00330-012-2630-z. Epub 2012 19 августа. Евро Радиол. 2013. PMID: 22

  0

• Синхротронное излучение в лечении и диагностике рака: обзор.

  Хиль С., Фернандес М., Пресадо Ю., Биете А., Бравин А., Сабес М. Гил С. и др. Clin Transl Oncol. 2011 Октябрь; 13 (10): 715-20. doi: 10.1007/s12094-011-0721-y. Clin Transl Oncol. 2011. PMID: 21975332 Обзор.

• Многократная рентгенография мягких тканей человека.

  Мюлеман С., Ли Дж., Чжун З., Браньков Дж.Г., Верник М.Н. Muehleman C, et al. Дж Анат. 2006 г., январь; 208 (1): 115–24. doi: 10.1111/j.1469-7580.2006.00502.x. Дж Анат. 2006. PMID: 16420384 Бесплатная статья ЧВК.

• Рентгенография мягких тканей стопы и голеностопного сустава с усилением дифракции.

  Li J, Zhong Z, Lidtke R, Kuettner KE, Peterfy C, Aliyeva E, Muehleman C. Ли Дж. и др. Дж Анат. 2003 г., май; 202(5):463-70. doi: 10.1046/j.1469-7580.2003.00175.x. Дж Анат. 2003. PMID: 12739623 Бесплатная статья ЧВК.

дифракция

Дифракция относится к различным явлениям, связанным с изгибом волн, когда они взаимодействуют с препятствиями на своем пути. Это происходит с любым типом волн, включая звуковые волны, волны воды и электромагнитные волны, такие как видимый свет, рентгеновские лучи и радиоволны. Поскольку физические объекты обладают волнообразными свойствами, дифракция также происходит с веществом и может изучаться в соответствии с принципами квантовой механики. Хотя дифракция всегда возникает, когда распространяющиеся волны сталкиваются с препятствиями на своем пути, ее эффекты обычно наиболее выражены для волн, длина волны которых порядка размера дифрагирующих объектов.

Сложные узоры, возникающие из-за интенсивности дифрагированной волны, являются результатом интерференции между различными частями волны, которые дошли до наблюдателя разными путями.

Дополнительные рекомендуемые знания

Содержимое 1 Примеры дифракции в повседневной жизни 2 История 3 Механизм дифракции 4 Качественные наблюдения дифракции 5 Количественное описание дифракции 5.1 Дифракция на массиве узких щелей или решетке 5.2 Однощелевая дифракция 5.3 Несколько расширенных щелей 6 Дифракция частиц 7 Дифракция Брэгга 8 Когерентность 9 Дифракционный предел телескопов 10 Каталожные номера 11 См. также

Примеры дифракции в повседневной жизни

Эффекты дифракции легко увидеть в повседневной жизни. Самые яркие примеры дифракции связаны со светом; например, близко расположенные дорожки на компакт-диске или DVD-диске действуют как дифракционная решетка, образуя знакомую радужную картину, которую мы видим, глядя на диск. Этот принцип может быть расширен для создания решетки со структурой, которая будет давать любую желаемую дифракционную картину; голограмма на кредитной карте является примером. Дифракция в атмосфере на мелких частицах может привести к тому, что яркое кольцо будет видно вокруг яркого источника света, такого как солнце или луна. Тень твердого объекта, освещенная компактным источником, показывает небольшие полосы по краям. Все эти эффекты являются следствием того, что свет представляет собой волну.

Дифракция может происходить с волнами любого типа. Океанские волны рассеиваются вокруг причалов и других препятствий. Звуковые волны могут рассеиваться вокруг объектов, поэтому мы все еще можем слышать, как кто-то зовет нас, даже если мы прячемся за деревом. Дифракция также может быть проблемой в некоторых технических приложениях; он устанавливает фундаментальный предел разрешающей способности камеры, телескопа или микроскопа.

История

Эффекты дифракции света впервые внимательно наблюдал и охарактеризовал Франческо Мария Гримальди, который также ввел термин дифракция , от латинского diffringere , «разбиваться на части», имея в виду расщепление света в разных направлениях. Результаты наблюдений Гримальди были опубликованы посмертно в 1665 году. Джеймс Грегори (1638–1675) наблюдал дифракционные картины, вызванные птичьим пером, которое фактически было первой дифракционной решеткой. В 1803 году Томас Юнг провел свой знаменитый эксперимент по наблюдению дифракции от двух близко расположенных щелей. Объясняя свои результаты интерференцией волн, исходящих из двух разных щелей, он пришел к выводу, что свет должен распространяться в виде волн. Огюстен-Жан Френель провел более подробные исследования и расчеты дифракции, опубликованные в 1815 и 1818 годах, и тем самым оказал большую поддержку волновой теории света, выдвинутой Христианом Гюйгенсом и усиленной Юнгом, в отличие от теории частиц Ньютона.

Механизм дифракции

Самой сердцевиной объяснения всех явлений дифракции является интерференция. Когда две волны объединяются, их смещения складываются, что приводит к меньшему или большему общему смещению в зависимости от разности фаз между двумя волнами. Эффект дифракции от непрозрачного объекта можно рассматривать как интерференцию между различными частями волны за пределами объекта дифракции. Рисунок, сформированный этой интерференцией, зависит от длины волны, что, например, приводит к появлению радужного рисунка на компакт-диске. Большинство явлений дифракции можно понять с точки зрения нескольких простых понятий, которые проиллюстрированы ниже.

Наиболее концептуально простым примером дифракции является дифракция с одной щелью, при которой щель узкая, то есть значительно меньше длины волны. После прохождения волны через щель образуется узор из полукруглых рябей, как если бы в месте щели находился источник простой волны. Эта полукруглая волна представляет собой дифракционную картину.

Если мы теперь рассмотрим два таких узких отверстия, то две радиальные волны, исходящие из этих отверстий, могут интерферировать друг с другом. Рассмотрим, например, водную волну, падающую на экран с двумя маленькими отверстиями. Общее смещение воды по ту сторону экрана в любой точке равно сумме смещений отдельных радиальных волн в этой точке. Теперь в пространстве есть точки, где волна, исходящая из одного отверстия, всегда находится в фазе с другим, т.е. они обе идут вверх в этой точке, это называется конструктивная интерференция и приводит к большей общей амплитуде. Есть также точки, где одна радиальная волна не совпадает по фазе с другой на половину длины волны, это будет означать, что когда одна идет вверх, другая идет вниз, результирующая общая амплитуда уменьшается, это называется деструктивным. вмешательство . В результате есть области, где нет волны, и есть области, где волна усиливается.

Другой концептуально простой пример — дифракция плоской волны на большом (по сравнению с длиной волны) плоском зеркале. Единственное направление, в котором видно, что все электроны, колеблющиеся в зеркале, колеблются в фазе друг с другом, — это зеркальное (зеркальное) направление — таким образом, типичное зеркало отражает под углом, равным углу падения волны. Этот результат называется законом отражения. Зеркала все меньше и меньше преломляют свет во все большем и большем диапазоне углов.

Щели значительно шире длины волны также будут демонстрировать дифракцию, которая наиболее заметна вблизи их краев. Центральная часть волны показывает ограниченные эффекты на коротких расстояниях, но демонстрирует стабильную дифракционную картину на больших расстояниях. Эту картину легче всего понять и рассчитать как интерференционную картину большого числа простых источников, расположенных близко и равномерно по ширине щели.

Эта концепция известна как принцип Гюйгенса-Френеля: распространение волны можно визуализировать, рассматривая каждую точку волнового фронта как точечный источник вторичной радиальной волны. Последующее распространение и интерференция всех этих радиальных волн образуют новый волновой фронт. Этот принцип математически вытекает из интерференции волн на всех разрешенных путях между источником и точкой обнаружения (то есть на всех путях, кроме тех, которые заблокированы дифрагирующими объектами).

Качественные наблюдения дифракции

Можно сделать несколько качественных наблюдений дифракции в целом:

• Угловое расстояние между элементами на дифракционной картине обратно пропорционально размерам объекта, вызывающего дифракцию, другими словами: чем меньше дифрагирующий объект, тем «шире» результирующая дифракционная картина, и наоборот. (Точнее, это верно для синусов углов.)
• Углы дифракции не зависят от масштабирования; то есть они зависят только от отношения длины волны к размеру дифрагирующего объекта.
• Когда дифрагирующий объект имеет периодическую структуру, например, в дифракционной решетке, элементы обычно становятся более четкими. На третьем рисунке, например, показано сравнение схемы с двумя щелями и схемы, образованной пятью щелями, причем оба набора щелей имеют одинаковое расстояние между центрами одной щели и следующей.

Количественное описание дифракции

Для получения дополнительной информации по этой теме см. Формализм дифракции.

Чтобы определить картину дифракции, мы должны определить фазу и амплитуду каждого из вейвлетов Гюйгенса в каждой точке пространства. То есть в каждой точке пространства мы должны определить расстояние до каждого из простых источников на приходящем волновом фронте. Если расстояние до каждого из простых источников отличается на целое число длин волн, все вейвлеты будут совпадать по фазе, что приведет к конструктивной интерференции. Если расстояние до каждого источника равно целому числу плюс половина длины волны, будет полная деструктивная интерференция. Обычно достаточно определить эти минимумы и максимумы, чтобы объяснить эффекты, которые мы наблюдаем в природе. Простейшими описаниями дифракции являются те, в которых ситуация может быть сведена к двумерной задаче. Для волн на воде это уже так, волны на воде распространяются только по поверхности воды. Для света мы часто можем пренебречь одним направлением, если дифрагирующий объект простирается в этом направлении на расстояние, намного превышающее длину волны. В случае света, проходящего через маленькие круглые отверстия, нам придется учитывать всю трехмерную природу проблемы.

Дифракция на массиве узких щелей или решетке

См. также: Дифракционная решетка

Системы с несколькими щелями можно описать как несколько простых источников волн, если щели достаточно узкие. Для света щель — это отверстие, которое бесконечно расширяется в одном измерении, что приводит к сведению волновой задачи в трехмерном пространстве к более простой задаче в двухмерном пространстве.

В простейшем случае две узкие щели, расположенные на расстоянии и отдельно. Для определения максимумов и минимумов амплитуды необходимо определить разницу длины пути до первой щели и до второй. В приближении Фраунгофера, когда наблюдатель находится далеко от щелей, на изображении можно увидеть разницу в длине пути до двух щелей.

Максимумы интенсивности возникают, если эта разность длин пути составляет целое число длин волн:

где:

n — целое число, обозначающее порядка каждого максимума,

λ – длина волны,

a — расстояние между щелями,

и θ — угол, при котором возникает конструктивная интерференция.

И соответствующие минимумы находятся при разности хода, равной целому числу плюс половина длины волны:

Для массива щелей положения минимумов и максимумов не изменяются, полосы видны на экране, однако становятся более четкими, как видно на изображении. То же верно и для поверхности, которая отражает только ряд параллельных линий; такая поверхность называется отражательной решеткой.

Из формулы видно, что угол дифракции зависит от длины волны. Это означает, что разные цвета света будут преломляться в разных направлениях, что позволяет нам разделить свет на его различные цветовые компоненты. Решетки используются в спектроскопии для определения свойств атомов и молекул, а также звезд и межзвездных пылевых облаков путем изучения спектра света, который они излучают или поглощают.

Еще одним применением дифракционных решеток является получение монохроматического источника света. Это можно сделать, поместив щель под углом, соответствующим условию конструктивной интерференции для желаемой длины волны.

Однощелевая дифракция

Щели шире длины волны будут показывать дифракцию по краям. Эту картину легче всего понять и рассчитать как интерференционную картину большого количества простых источников, расположенных близко и равномерно по ширине щели. Мы можем определить минимумов результирующей картины интенсивности, используя следующие рассуждения. Если для данного угла простой источник, расположенный у левого края щели, деструктивно интерферирует с источником, расположенным в середине щели, то простой источник справа от левого края будет деструктивно интерферировать с простым источником, расположенным как раз справа от середины. Мы можем продолжить это рассуждение по всей ширине щели и заключить, что условие деструктивной интерференции для всей щели такое же, как условие деструктивной интерференции между двумя узкими щелями, расстояние между которыми составляет половину ширины щели. В результате получается формула, очень похожая на формулу для дифракции на решетке, с той важной разницей, что теперь она предсказывает минимумы картины интенсивности.

n теперь является целым числом больше 0.

Тот же аргумент не работает для максимумов. Для определения положения максимумов и точного профиля интенсивности требуется более строгое рассмотрение; требуется формализм дифракции в терминах интегрирования по всем беспрепятственным путям. Затем профиль интенсивности определяется выражением

Несколько расширенных щелей

Для массива щелей, ширина которых превышает длину волны падающей волны, необходимо учитывать интерференцию волн от разных щелей, а также интерференцию волн из разных мест в одной и той же щели. Минимумы интенсивности возникают, если выполняется либо условие одной щели, либо условие полной деструктивной интерференции решетки. Строгая математическая обработка показывает, что результирующая картина интенсивности является произведением функции интенсивности решетки на картину интенсивности с одной щелью.

При проведении экспериментов с решетками, у которых ширина щели составляет целую часть шага решетки, это может привести к «отсутствию» порядков. Если, например, ширина одной щели составляет половину расстояния между щелями (т. е. рабочий цикл решетки составляет 50%), первый минимум дифракционной картины с одной щелью совпадет со вторым максимумом дифракционной картины решетки. Тогда этот ожидаемый дифракционный пик не будет виден. То же верно и в этом случае для любого четного пика дифракционной решетки.

Дифракция частиц

См. также: дифракция нейтронов и электронов

Квантовая теория говорит нам, что каждая частица обладает волновыми свойствами. В частности, массивные частицы могут интерферировать и, следовательно, дифрагировать. Дифракция электронов и нейтронов была одним из весомых аргументов в пользу квантовой механики. Длина волны, связанная с частицей, называется длиной волны де Бройля.

, где ч — постоянная Планка, а p — импульс частицы (масса × скорость для медленно движущихся частиц). Для большинства макроскопических объектов эта длина волны настолько мала, что приписывать им длину волны не имеет смысла. Атом натрия, движущийся со скоростью около 3000 м/с, будет иметь длину волны де Бройля около 5 пикометров.

Поскольку длина волны даже самых маленьких макроскопических объектов чрезвычайно мала, дифракция волн материи видна только для малых частиц, таких как электроны, нейтроны, атомы и малые молекулы. Короткая длина волны этих волн материи делает их идеально подходящими для изучения атомной кристаллической структуры твердых тел и больших молекул, таких как белки.

Относительно недавно было показано, что более крупные молекулы, такие как фуллерены, ^[4] дифрагируют. В настоящее время проводятся исследования дифракции вирусов, которые, будучи огромными по сравнению с электронами и другими более часто дифрагирующими частицами, имеют крошечные длины волн, поэтому для дифракции их необходимо заставить очень медленно проходить через чрезвычайно узкую щель.

Дифракция Брэгга

Дополнительные сведения по этой теме см. в разделе Дифракция Брэгга.

Дифракция от трехмерной периодической структуры, такой как атомы в кристалле, называется дифракцией Брэгга. Это похоже на то, что происходит при рассеянии волн на дифракционной решетке. Дифракция Брэгга является следствием интерференции волн, отражающихся от разных плоскостей кристалла. Условие конструктивной интерференции задается законом Брэгга :

где

λ – длина волны,

d — расстояние между плоскостями кристалла,

θ — угол дифрагированной волны.

и m представляет собой целое число, известное как порядка дифрагированного луча.

Дифракция Брэгга может быть проведена с использованием света с очень короткой длиной волны, такого как рентгеновские лучи, или волн материи, таких как нейтроны, длина волны которых порядка расстояния между атомами. Полученная картина дает информацию о разделении кристаллографических плоскостей d , что позволяет сделать вывод о кристаллической структуре.

Когерентность

Основная статья: Когерентность (физика)

Описание дифракции основано на интерференции волн, исходящих из одного и того же источника и идущих разными путями к одной и той же точке на экране. В этом описании разница в фазе между волнами, идущими по разным путям, зависит только от эффективной длины пути. При этом не учитывается тот факт, что волны, приходящие на экран в одно и то же время, излучались источником в разное время. Начальная фаза, с которой источник излучает волны, может изменяться во времени непредсказуемым образом. Это означает, что волны, излучаемые источником в моменты времени, которые слишком далеко друг от друга, больше не могут образовывать постоянную интерференционную картину, поскольку соотношение между их фазами больше не зависит от времени.

Длина, на которой коррелируется фаза светового луча, называется длиной когерентности. Для возникновения интерференции разность длин пути должна быть меньше длины когерентности. Иногда это называют спектральной когерентностью, поскольку она связана с наличием в волне различных частотных составляющих. В случае света, испускаемого атомным переходом, длина когерентности связана со временем жизни возбужденного состояния, из которого атом совершил переход.

Если волны излучаются протяженным источником, это может привести к некогерентности в поперечном направлении. При взгляде на поперечное сечение луча света длина, по которой коррелирует фаза, называется поперечной длиной когерентности. В случае эксперимента Юнга с двумя щелями это означало бы, что если поперечная длина когерентности меньше, чем расстояние между двумя щелями, результирующая картина на экране будет выглядеть как две дифракционные картины с одной щелью.

В случае таких частиц, как электроны, нейтроны и атомы, длина когерентности связана с пространственной протяженностью волновой функции, описывающей частицу.

Дифракционный предел телескопов

Для дифракции через круглое отверстие имеется ряд концентрических колец, окружающих центральный диск Эйри. Математический результат подобен радиально-симметричному варианту уравнения, приведенному выше, в случае однощелевой дифракции.

Волне не нужно проходить через апертуру, чтобы дифрагировать; например, пучок света конечного размера также претерпевает дифракцию и расплывается в диаметре.